再談大學(xué)物理量子部分的教學(xué)嵌入物理學(xué)史的重要性

摘要：量子力學(xué)的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了一系列劃時(shí)代的科學(xué)發(fā)現(xiàn)與技術(shù)發(fā)明，對(duì)人類社會(huì)的進(jìn)步作出了巨大貢獻(xiàn)。很多大學(xué)生對(duì)量子物理非常感興趣，但對(duì)怎么學(xué)好這門課程卻很迷茫。如果在教學(xué)過程中適當(dāng)引入量子發(fā)展史有利于學(xué)生學(xué)好大學(xué)物理，不僅能調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，實(shí)現(xiàn)啟發(fā)式教學(xué)，還能培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)觀察能力、分析問題和解決問題能力、思維能力、求實(shí)精神、創(chuàng)新精神及辯證唯物主義世界觀。

關(guān)鍵詞：大學(xué)生；量子物理；物理學(xué)史

作者簡介：丁艷麗（1979-），女，回族，遼寧遼陽人，沈陽化工大學(xué)數(shù)理系，講師；母繼榮（1964-），女，河北樂亭人，沈陽化工大學(xué)數(shù)理系，副教授。（遼寧 沈陽 110142）

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2012）35-0067-02

量子力學(xué)是反映微觀粒子（分子、原子、原子核、基本粒子等）運(yùn)動(dòng)規(guī)律的理論。[1]它是20世紀(jì)初在大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)和舊量子論基礎(chǔ)上建立起來的，是人們認(rèn)識(shí)和理解微觀世界的基礎(chǔ)。量子物理和相對(duì)論的成就使得物理學(xué)從經(jīng)典物理學(xué)發(fā)展到現(xiàn)代物理學(xué)，奠定了現(xiàn)代自然科學(xué)的主要基礎(chǔ)。量子力學(xué)的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了一系列劃時(shí)代的科學(xué)發(fā)現(xiàn)與技術(shù)發(fā)明，對(duì)人類社會(huì)的進(jìn)步作出了重要貢獻(xiàn)。通過量子物理的教學(xué)，有利于培養(yǎng)大學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)、科學(xué)思維方法和科研能力，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神、創(chuàng)新精神、科學(xué)思維能力以及辯證唯物主義的科學(xué)觀。另外，量子物理是處于發(fā)展中的理論，怎樣將量子論和廣義相對(duì)論（引力作用）統(tǒng)一起來仍是困擾人們的問題?！跋依碚摗钡奶岢鍪谷藗兛吹搅讼Ｍ?，通過這部分的教學(xué)可以培養(yǎng)學(xué)生的橫、縱向思維和不斷追求科學(xué)真理的精神。因此，在大學(xué)物理的教學(xué)中應(yīng)適當(dāng)增加量子物理的教學(xué)內(nèi)容。由于量子物理里好多概念、思想和宏觀世界里的完全不同，叫人無法理解，以致量子論的奠基人之一玻爾（Niels Bohr）都要說：“如果誰不為量子論而感到困惑，那他就是沒有理解量子論?！盵2]那么怎樣讓學(xué)生在輕松愉快的狀態(tài)下學(xué)好量子物理呢？在教學(xué)過程中適當(dāng)引入物理學(xué)史有利于學(xué)生掌握其核心，既培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又有利于實(shí)現(xiàn)啟發(fā)式教學(xué)，而非純粹的概念和公式的教學(xué)。下面主要從幾個(gè)方面闡述物理學(xué)史在大學(xué)生學(xué)習(xí)中的重要作用。

一、非物理專業(yè)大學(xué)生學(xué)習(xí)量子物理的需要

即使是物理專業(yè)的學(xué)生，多數(shù)人在學(xué)習(xí)量子物理時(shí)一直如在云里霧里，雖然知道微觀粒子的波粒二象性，也知道不確定原理，了解原子的軌道理論，但是卻不知道為什么這樣。這一方面是由于量子物理里好多概念、思想和宏觀世界里的完全不同。另一方面，學(xué)生沒有掌握量子物理的核心，沒有從整體上把握量子物理的基石。一些教材對(duì)這部分的介紹也較少。如果在教學(xué)中能夠引入量子物理的發(fā)展史，不僅能吸引學(xué)生的注意力，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還有利于學(xué)生理解量子物理的概念和思想，使學(xué)生能夠身臨其境地感受到那場史詩般壯麗的革命，深刻體會(huì)量子論的偉大，有利于學(xué)生辯證唯物主義觀的形成。而非物理專業(yè)的學(xué)生與物理專業(yè)的學(xué)生相比，在學(xué)習(xí)量子物理時(shí)難度更大。這是由于物理專業(yè)的學(xué)生開設(shè)了許多物理專業(yè)課，如原子分子物理、物理學(xué)史等課程，為量子物理的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。而非物理專業(yè)的學(xué)生沒有前期的知識(shí)鋪墊，對(duì)知識(shí)的掌握難度增大。如果能適當(dāng)加入量子發(fā)展史的介紹，不僅降低了學(xué)生學(xué)習(xí)難度，還激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，這就更突顯出物理學(xué)史在大學(xué)物理教學(xué)中的重要作用。

從整體上介紹量子物理的發(fā)展史可以使學(xué)生掌握量子物理的核心，從整體上把握量子物理的基石，即波恩的概率解釋、海森堡的不確定性原理和玻爾的互補(bǔ)原理。[2]這三大核心原理中，前兩者摧毀了經(jīng)典世界的因果性理論，互補(bǔ)原理和不確定原理又合力搗毀了世界的客觀性和客觀實(shí)在性理論。一些實(shí)驗(yàn)和理論斗爭的介紹不僅可以吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維方法。19世紀(jì)末20世紀(jì)初，好多物理學(xué)家認(rèn)為物理學(xué)大廈已經(jīng)基本建成，后輩的工作只是做些細(xì)枝末節(jié)的修補(bǔ)和完善。但當(dāng)時(shí)物理學(xué)天空漂浮著兩朵小烏云，一朵是“以太的絕對(duì)參考系”，另一朵是“黑體輻射的紫外線災(zāi)難”。前者導(dǎo)致了相對(duì)論的建立，后者導(dǎo)致了量子物理的建立。

對(duì)量子物理三大基石的掌握，即波恩的概率解釋、海森堡的不確定性和玻爾的“互補(bǔ)原理”是量子物理的三大支柱。大學(xué)所學(xué)的量子物理學(xué)是基于這三個(gè)支柱的。這就像數(shù)學(xué)中的公理一樣，對(duì)于大學(xué)生而言不能去討論為什么，只能是是什么。

二、大學(xué)生素質(zhì)教育的需要

大學(xué)物理的量子部分教學(xué)不同于物理專業(yè)學(xué)生的量子物理教學(xué)。大學(xué)物理教學(xué)的目的主要是增強(qiáng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維方法、辯證唯物主義觀等素質(zhì)教育，重在方法而非純理論教學(xué)。因此，大學(xué)物理的教學(xué)目的與任務(wù)是使學(xué)生對(duì)物理學(xué)的基本概念、基本理論和基本方法有比較系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)和正確的理解，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。更為重要的是，在大學(xué)物理課程的各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中，都應(yīng)在傳授知識(shí)的同時(shí)注重培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題能力，注重培養(yǎng)學(xué)生科研探索精神和辯證唯物主義世界觀的形成。量子物理發(fā)展史的介紹和講解有助于培養(yǎng)學(xué)生這方面的能力。

1.辯證唯物主義世界觀的培養(yǎng)

在大學(xué)物理的教學(xué)過程中融入物理學(xué)史的內(nèi)容有利于培養(yǎng)學(xué)生的辯證唯物主義世界觀。如關(guān)于光的本性的爭論持續(xù)了300年，光的波動(dòng)理論和微粒理論艱苦卓絕地斗爭了300年。量子論就是在這種斗爭中逐漸建立起來的。托馬斯·楊的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)、菲涅爾的圓盤衍射等實(shí)驗(yàn)形象的描述可使學(xué)生體會(huì)到光的波動(dòng)性；而光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)、康普頓的X射線散射實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)的介紹可使學(xué)生深刻體會(huì)光的粒子性；德布羅意電子波及實(shí)物粒子波理論的介紹及戴維遜和革末關(guān)于電子的實(shí)驗(yàn)，電子通過鎳塊時(shí)展現(xiàn)了X射線衍射圖案，證明了電子具有波動(dòng)性，由此人們認(rèn)識(shí)到了光及實(shí)物粒子的波粒二象性。這部分的教學(xué)可使學(xué)生領(lǐng)悟到看似毫不相干的量實(shí)際上存在著深刻的聯(lián)系，波動(dòng)性和粒子性原來是不可分割的一個(gè)整體。就像漫畫中教皇善與惡的兩面，雖然在每個(gè)確定的時(shí)刻只有一面能夠體現(xiàn)出來，但它們確實(shí)集中在一個(gè)人的身上。從中學(xué)生們可以深刻體會(huì)到任何事物都存在兩面性，人們要辯證地看待問題。這部分歷史的簡單介紹還可以使學(xué)生深刻體會(huì)到人們對(duì)真理的認(rèn)識(shí)是隨著科技的發(fā)展而不斷完善的過程，也是一個(gè)艱苦長期的斗爭過程。對(duì)光的波粒二象性的認(rèn)識(shí)有利于培養(yǎng)學(xué)生辯證唯物主義世界觀。

2.分析問題和解決問題能力的培養(yǎng)

在大學(xué)物理的教學(xué)過程中適當(dāng)引入一些實(shí)驗(yàn)的描述或利用多媒體等手段演示實(shí)驗(yàn)過程有利于培養(yǎng)學(xué)生的分析能力和解決能力。對(duì)康普頓實(shí)驗(yàn)的講解分析可以培養(yǎng)學(xué)生的分析問題和解決問題的能力，尤其是康普頓的分析過程，而非純理論上的推導(dǎo)分析?？灯疹D在研究X射線被自由電子散射的時(shí)候發(fā)現(xiàn)一個(gè)奇怪的現(xiàn)象：散射出來的X射線分成兩個(gè)部分，一部分和原來的入射射線波長相同，而另一部分卻比原來的射線波長要長，具體的大小和散射角存在著函數(shù)關(guān)系。如果運(yùn)用通常的波動(dòng)理論，散射應(yīng)該不會(huì)改變?nèi)肷涔獾牟ㄩL才對(duì)。但是怎么解釋多出來的那一部分波長變長的射線呢？康普頓苦苦思索，試圖從經(jīng)典理論中尋找答案，卻撞得頭破血流。終于有一天，他作了一個(gè)破釜沉舟的決定，引入光量子的假設(shè)，把X射線看作能量為hν的光子束的集合。這個(gè)假定馬上讓他看到了曙光，眼前豁然開朗：那一部分波長變長的射線是因?yàn)楣庾雍碗娮优鲎菜鸬?。光子像普通的小球那樣，不僅帶有能量，還具有動(dòng)量。當(dāng)它和電子相撞，便將自己的能量交換一部分給電子。這樣一來，光子的能量下降，根據(jù)公式E=hν，E下降導(dǎo)致ν下降，頻率變小，便是波長變大。這樣，X射線被自由電子散射的問題得到完美的解決。然后再進(jìn)行理論推導(dǎo)，根據(jù)動(dòng)量和能量守恒解決該問題，這樣不僅使學(xué)生印象深刻，還鍛煉了物理思維能力。

3.求實(shí)精神的培養(yǎng)

通過大學(xué)物理量子史部分的教學(xué)，介紹科學(xué)家嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、勇于追求真理的精神，培養(yǎng)學(xué)生追求真理的勇氣、嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度和刻苦鉆研的作風(fēng)。

4.科學(xué)觀察和思維能力的培養(yǎng)

在教學(xué)的過程中適當(dāng)融入量子發(fā)展史的內(nèi)容有利于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)觀察和思維能力。如玻爾的互補(bǔ)原理的提出過程。當(dāng)海森堡完成“不確定原理”后向玻爾請(qǐng)教，兩人就“不確定原理”是從粒子性而來還是波動(dòng)性而來展開了論戰(zhàn)，從而提出了互補(bǔ)原理：波和粒子在同一時(shí)刻是互斥的，但它們卻在一個(gè)更高的層次上統(tǒng)一在一起，作為電子的兩面性被納入一個(gè)整體概念中。這就是玻爾的“互補(bǔ)原理”。它連同波恩的概率解釋、海森堡的不確定性共同構(gòu)成了量子論“哥本哈根解釋”的核心，至今仍然深刻地影響人們對(duì)于整個(gè)宇宙的終極認(rèn)識(shí)。講解過程中應(yīng)形象生動(dòng)地描述海森堡和玻爾的討論過程及他的思維過程，使學(xué)生有種身臨其境的感覺，從而培養(yǎng)科學(xué)觀察和思維的能力。在教學(xué)過程中適當(dāng)介紹思維實(shí)驗(yàn)有利于培養(yǎng)學(xué)生的思維能力及科學(xué)分析能力。如海森堡不確定性原理的提出過程就借助了思維實(shí)驗(yàn)及1935年愛因斯坦提出EPR思維實(shí)驗(yàn)等。[3]

5.創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)

通過學(xué)習(xí)大學(xué)物理學(xué)的研究方法、量子物理的發(fā)展史以及物理學(xué)家的成長經(jīng)歷等，引導(dǎo)學(xué)生樹立科學(xué)的世界觀，激發(fā)學(xué)生的求知熱情、探索精神、創(chuàng)新欲望以及敢于向舊觀念挑戰(zhàn)的精神。如普朗克能量子假設(shè)的提出體現(xiàn)了敢于向舊觀念、權(quán)威學(xué)家挑戰(zhàn)的精神。而創(chuàng)新意識(shí)對(duì)一個(gè)學(xué)生來說是非常重要的，對(duì)社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展也起著重要作用的。

6.科學(xué)美感的培養(yǎng)

以麥克斯韋方程組為例，描述麥?zhǔn)戏匠趟憩F(xiàn)出的深刻、對(duì)稱、優(yōu)美，使得每一個(gè)科學(xué)家都陶醉在其中，玻爾茲曼情不自禁地引用歌德的詩句“難道是上帝寫的這些嗎？”描述麥克斯韋方程組的美。[2]一直到今天，麥?zhǔn)戏匠探M仍然被公認(rèn)為科學(xué)美的典范。許多偉大的科學(xué)家都為它的魅力折服，并受它深深的影響，有著對(duì)于科學(xué)美的堅(jiān)定信仰，甚至認(rèn)為：對(duì)于一個(gè)科學(xué)理論來說，簡潔優(yōu)美要比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確來得更為重要。依此引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)物理學(xué)所具有的明快簡潔、均衡對(duì)稱、奇異相對(duì)、和諧統(tǒng)一等美學(xué)特征，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)審美觀，使學(xué)生學(xué)會(huì)用美學(xué)的觀點(diǎn)欣賞和發(fā)掘科學(xué)的內(nèi)在規(guī)律，逐步增強(qiáng)認(rèn)識(shí)和掌握自然科學(xué)規(guī)律的能力。

7.科學(xué)探索精神的培養(yǎng)

物理學(xué)在追求著大統(tǒng)一。許多科學(xué)家獻(xiàn)身于這項(xiàng)偉大的事業(yè)，比如弦理論的提出。講述其發(fā)展過程可激發(fā)學(xué)生的科學(xué)探索精神。

三、科學(xué)發(fā)展的需要

科學(xué)發(fā)展到今天，是建立在前人取得成就的基礎(chǔ)上的。牛頓都說：“我站在了巨人的肩上。”以史為鑒，才能少走彎路。物理學(xué)發(fā)展到今天只剩下了最后一個(gè)分歧，但也很可能是最難以調(diào)和和統(tǒng)一的分歧，即量子物理和引力理論。只有了解和掌握了前輩所創(chuàng)造的財(cái)富，才能找到解決物理大統(tǒng)一的有效道路，才能實(shí)現(xiàn)物理學(xué)的夢(mèng)想。這需要幾代人的共同努力，可能需要幾十年甚至幾百年才有可能實(shí)現(xiàn)。很多人正在為之不斷努力，這也是人們不斷追求的科學(xué)理想。

大學(xué)生量子物理的學(xué)習(xí)需要適當(dāng)引入物理學(xué)史，這既有利于學(xué)生學(xué)好大學(xué)物理，培養(yǎng)學(xué)生的辯證唯物主義世界觀、分析問題和解決解決問題的能力、求實(shí)精神、科學(xué)觀察和思維的能力、創(chuàng)新意識(shí)及科學(xué)探索精神，又有助于啟發(fā)式教學(xué)。

參考文獻(xiàn)：

[1]周世勛.量子力學(xué)教程[M].第1版.北京：高等教育出版社，2002.

[2]曹天元.上帝擲骰子么：量子物理史話[M].沈陽：遼寧教育出版社，

2006.

[3]曾謹(jǐn)言.量子力學(xué)卷Ⅱ[M].第一版.北京：科學(xué)出版社，2001：43-49.

（責(zé)任編輯：王祝萍）